Штучні екосистеми

Вище коротко описані основні природні екосистеми нашої планети. Але розгляд екосистем був би не повним без аналізу особливостей штуч­них, створених людиною екосистем. Серед них особливе місце посідають агроекосистеми.

9.5.1. Агроекосистеми

Зростання виробництва сільськогосподарської продукції (так звана «зелена революція») відбулося, головним чином, за рахунок високої меха­нізації сільського господарства, пов’язаної з внесенням значної кількості енергії у вигляді палива, застосування вишуканих засобів боротьби зі шкі­дниками і створення високоінбредних сортів рослин (Ю. Одум, 1975) [17].

Максимізація врожаю без урахування інших наслідків породжує дуже сер­йозні прорахунки, як екологічні, так і соціальні. Щодо перших, то подво­єння врожаю зернових вимагає десятикратного зростання затрат добрив, пестицидів, палива тощо. Таким чином, індустріалізоване (що використо­вує енергію горючих копалин) сільське господарство (наприклад, у Японії) може дати в 4 рази більш високий врожай з гектара, ніж за умов ведення сільського господарства, де всю роботу виконують люди і домашні твари­ни (Індія), проте воно вимагає в 10 разів більше витрат ресурсів і енергії. Тому «агроіндустрія» - одна з головних причин забруднення довкілля. Отже, при розвитку сільськогосподарського виробництва необхідно приді­ляти належну увагу якості сільського ландшафту, який має бути не лише джерелом їжі, але і чистої води, чистого повітря, задовольняти потреби ре­креації тощо.

Варто відзначити кілька головних проблем, на які звертав увагу Ю. Одум ще на початку 1970-х років. Широка публіка і багато фахівців введе­ні в оману неповним урахуванням витрат на сільське господарство: не вра­ховується вартість енергетичних витрат, а також забруднення навколиш­нього середовища, викликане масовим використанням техніки, добрив, пе­стицидів, гербіцидів тощо.

По-справжньому придатні для сільського господарства лише 24% су­ходолу.

Країни, що розвиваються, так і залишаться «тими, що вічно розвива­ються», допоки в них не припиниться зростання населення. З іншого боку, економічно розвиненим країнам загрожують «труднощі достатку», поро­джені забрудненням середовища, злочинністю і зростанням чисельності «недорозвинених» злиднів.

Стає дедалі зрозумілішим, що оптимальна щільність населення пови­нна розраховуватися, виходячи не з кількості калорій (їжі). Земля може прогодувати значно більше «ротів», ніж нормальних людських істот, яким потрібна розумна ступінь свободи і право на щастя. На думку Ю. Одума, прекрасне екологічне формулювання цього положення дав еконо­міст Кеннет Боулдінг (1966): «Головний критерій успішного розвитку еко­номіки - зовсім не розміри виробництва і споживання, а природа, розмір, якість і складність сукупного основного капіталу, включаючи стан тіла і розуму людей, що входять в систему». Можливо, людина, наслідуючи при­роду, повинна прагнути не до зростання продукції і споживання як таких, а до підвищення якості і різноманіття своєї «біомаси»? (Ю. Одум, 1975).

Наразі головними проблемами агроекології є теоретичні та методоло­гічні проблеми агроландшафтів та агроекосистем, закони їх розвитку і фу- нкціювання, особливо в умовах техногенезу (процесу зміни природних 190

комплексів під впливом виробничої діяльності людини). Особливої уваги вартий аналіз впливу на агроекосистеми органічних і мінеральних добрив, їх екологічна роль в якості чинника оптимізації живлення рослин та під­тримання і поліпшення родючості грунту, так і їх негативна роль в забруд­ненні довкілля, зменшенні біорізноманіття і якості сільгосппродукції, їх вплив на природні води; вплив засобів охорони рослин на грунт, культурні рослини, мікроорганізми та здоров'я людини; екологічні наслідки меліора­ції та їх вплив на агроекосистеми та природне середовище; вивчення впли­ву тваринництва за такими аспектами: вплив відходів тваринництва на до­вкілля, дигресія пасовищ, санітарно-захисні зони довкола тваринницьких комплексів; грунтово-біотичний комплекс, який є основою агроекосисте­ми, що включає; функціональна роль грунту в екосистемі, діяльність мік­робного комплексу; нормування вмісту хімічних елементів в грунтах тощо.

Концептуальні положення щодо сталого розвитку агроекосистем по­винні базуватись на системному підході при аналізі взаємодії природних, антропогенних, інформаційних та енергетичних чинників. Результати екс­периментальних досліджень служать теоретичною основою для створення діючих моделей сталих агроекосистем. Так, органічні системи удобрення (СУ), засновані на використанні високих доз гною (20-24 т/га), слід моде­лювати окремо. Такими є інтенсивні зернопросапні або кормові сівозміни біля ферм, а також виробничі системи з розвиненою тваринницькою галуз­зю. Їм притаманні високі еколого-енергетична ефективність і коефіцієнт рециркуляції біогенних елементів, розширене відтворення гумусного стану ґрунту, а також продуктивність посівів на рівні кращих варіантів СУ. При рослинницькій спеціалізації з досліджуваних СУ заслуговує на увагу за­стосування на добриво соломи й, особливо, всієї побічної продукції вро­жаю. Однак, вони відрізняються низьким коефіцієнтом рециркуляції, ста­білізують, але не забезпечують повного відтворення гумусного стану ґрун­ту, мають відносно невисокий рівень продуктивності та енергетичної ефе­ктивності, що призводить до необхідності застосування мінеральних доб­рив.

Залежно від спеціалізації господарської діяльності та ресурсних мож­ливостей можуть використовуватися різні органо-мінеральні СУ. Вони здебільшого характеризуються відносно невисокою рециркуляцією біоге- нів, як правило, забезпечують відтворення еколого-енергетичного стану ґрунту, мають високі показники продуктивності й енергетичної ефектив­ності. Проте для запобігання непродуктивних втрат вуглецю й азоту такі комбінації органічних і мінеральних добрив у виробничих системах пови­нні формуватися з урахуванням співвідношення C:N, особливо при вне­сенні високих доз органіки. Результати цих теоретичних положень викори­стовувалися при розробці перспективних сценаріїв або моделей розвитку конкретних сільськогосподарських підприємств.

Основою існування агроекосистем є взаємодія речовини та енергії. Мікробіологічні процеси забезпечують циклічну динаміку біогеохімії ґрунтоутворення, основним результатом якої є біологічна акумуляція та консервація елементів живлення в кореневмісному шарі ґрунту, що і зумо­влює поступовий розвиток його родючості. В агроекосистемах багатовидо­ва природна рослинність замінена на більш одноманітну культурну. При цьому відбувається відчуження біопродукції з поля у вигляді урожаю, в ре­зультаті чого зменшується надходження органіки, біогенних елементів та енергії, що призводить до часткового розмикання мікробіологічних проце­сів. Таким чином, відбувається диспропорція між об’ємом синтезованої рослинної біопродукції і біомаси, яка надходить в ґрунт. Наприклад, при загальній біомасі урожаю озимої пшениці 120-160 ц/га з урожаєм основної продукції відчужується до 65%, а в посівах ярих при біомасі 80-120 ц/га в ґрунт може бути повернуто тільки 30-35 ц/га.

Теоретичні моделі розвитку систем ведення сільськогосподарського виробництва повинні базуватися на замкнених технологічних циклах та високому рівні рециркуляції біогенних елементів, коли відходи одного технологічного процесу є сировиною або базою для наступного, при відно­сно невисоких витратах ресурсів техногенного походження. З цієї точки зору, важливе значення має співвідношення галузей тваринництва і рос­линництва. В значній своїй частині відходи рослинництва є базою для роз­витку тваринництва. У свою чергу, відходи тваринництва забезпечують рециркуляцію біогенів в агроекосистемі, тобто повторне їх використання.

Раціональне землекористування, підвищення його сталості, продукти­вності й економічної ефективності базується, насамперед, на оптимальній спеціалізації агроекосистеми. Останніми роками в Україні спостерігається стійка тенденція до скорочення поголів’я сільськогосподарських тварин, звуження спеціалізації господарств на виробництво найбільш прибуткових зернових і технічних культур. Вузька рослинницька спеціалізація вироб­ничих систем передбачає скорочення в структурі посівних площ частки культур з високою здатністю до відновлення середовища, в т.ч.

За накопиченням біомаси, яка після збирання урожаю залишається в ґрунті, основні сільськогосподарські культури розташовуються в наступ­ний спадаючий ряд: багаторічні трави, кукурудза, озима пшениця, ячмінь, однорічні трави, горох, цукрові буряки. Скорочення поголів’я сільськогос­подарських тварин, з одного боку, знижує потребу в вирощуванні таких основних кормових культур як багаторічні трави, кукурудза, пожнивні й поукісні кормові суміші, з іншого - призводить до зниження об’ємів над­ходження в рослинництво відходів тваринництва і, насамперед, гною. В результаті у сівозмінах баланси органічної речовини й елементів живлення стають негативними, збільшується кількість неприпустимих попередників, погіршується фітосанітарний стан. Таким чином системи ведення госпо­дарства, орієнтовані на розвиток галузі тваринництва, завжди більш сталі.

Узагальнення результатів досліджень в стаціонарних дослідах та вивчення особливостей сучасної виробничої діяльності ряду типових для Лісостепу господарств дозволило сформулювати три основних сценарії їх розвитку й функціонування:

Стійке господарство базується на науково обґрунтованій спеціаліза­ції аграрних підприємств, що припускає оптимальне співвідношення галу­зей тваринництва й рослинництва, культур, які поліпшують ґрунт та нега­тивно впливають на ґрунтову родючість. На цій основі формується опти­мальна структура посівних площ, розробляється гнучка система сівозмін із кращими попередниками, застосовуються ресурсо- й енергозберігаючі аг- ротехнології. В результаті відчуження речовини й енергії знижується, зро­стає рециркуляція, а отже витрати на відтворення родючості ґрунту змен­шуються.

Нестійке - випливає з вузької (наприклад зернової) спеціалізації, що припускає переважання в структурі посівних площ інтенсивних культур, застосування високозатратних технологій. У результаті відчуження речо­вини й енергії зростає і, відповідно, збільшуються витрати антропогенних ресурсів на компенсацію втраченої родючості ґрунту та підтримки певного енергетичного потенціалу агроекосистеми.

Деструкційне - безповоротне відчуження речовини й енергії без ком­пенсації на відновлення енергетичного потенціалу агроекосистеми - най­більш поширений на сучасному етапі варіант ведення сільськогосподарсь­кого виробництва.

Висока продуктивність агроекосистем повинна досягатися переважно за рахунок активізації якомога більшого різноманіття біотичних чинників. При цьому «біологізація» виробничих систем здійснюється за рахунок під­вищення коефіцієнту використання ріллі шляхом максимального її наси­чення проміжними кормовими культурами, поліпшення складу культур у сівозмінах. Наявність в агроекосистемі високопродуктивної тваринницької галузі обумовлює створення відповідної кормової бази.

У свою чергу, повноцінна годівля тварин передбачає забезпеченість раціонів достатньою кількістю протеїну, для одержання якого необхідно розширювати площі посіву багаторічних бобових трав, однорічних бобо­во-злакових травосумішей, а також кукурудзи на корм у сполученні з бо­бовими і хрестоцвітими культурами. Отже, наявність сільськогосподарсь­ких тварин пов’язана зі збільшенням частки біологічного азоту в агроеко- системі за рахунок підвищення питомої ваги кормових культур, особливо бобових. Скорочення галузі тваринництва, або її ліквідація, призводить до зменшення площі посіву кормових культур і в тому числі бобових. Як на­слідок, набір культур обмежується зерновими й технічними. В результаті необхідно застосовувати більше азотних мінеральних добрив, зменшується площа оптимальних попередників для зернових культур та погіршується фітосанітарний стан агроекосистеми з наступним зниженням продуктивно­сті посівів. Таким чином, вирішення питань формування оптимального 193

співвідношення рослинництва й тваринництва, відповідного вдосконален­ня структури посівних площ дозволяє, з одного боку, нарощувати вироб­ництво більш ліквідної тваринницької продукції, з другого - забезпечити відтворення родючості ґрунту з мінімальним застосуванням ресурсів про­мислового походження.

При оптимальній кількості тварин і відповідній системі заготівлі та використання кормів, в кругообіг агроекосистеми повертається 50 і більше відсотків біогенних елементів від їх загального виносу, що безумовно зна­чно зменшує потребу в мінеральних добривах. Наприклад, при реалізації 100т зерна за межі землекористування відчужується приблизно 3,5т біо­генних елементів. При згодовуванні цього зерна сільськогосподарським тваринам за межі землекористування з молоком буде винесено тільки 760 кг елементів живлення, з свининою - 400 кг, з яловичиною - 380 кг. Відпо­відно виніс азоту з агроекосистеми, залежно від спеціалізації тваринницт­ва, скорочується в 4-8 разів, фосфору - в 10-25 разів, калію - в 5-50 разів.

Важливо, що особливо суттєво скорочується відчуження фосфору й калію, оскільки на відміну від азоту витратну частину в балансі якого мо­жна компенсувати інтенсифікацією азотфіксації (розширення площі бобо­вих культур, інокуляція посівного матеріалу бактеріальними добривами), запаси Р₂О₅ і К₂О в доступній для рослин формі в кореневмісному шарі обмежені й поповнити їх можна тільки за рахунок мінеральних або органі­чних добрив.

Слід також враховувати, що рециркуляція одних і тих же елементів живлення можлива лише при забезпеченні “герметичності” їх кругообігу в системі: ґрунт - рослинництво - тваринництво - відходи рослинництва й тваринництва - ґрунт. Це забезпечується, головним чином, організацією накопичення та використання всіх ресурсів органічних добрив і, в першу чергу, гною. При його низькій якості потреба в додатковому придбанні мі­неральних добрив різко підвищується.

Особлива роль належить тваринництву в підтриманні родючості ма­лопродуктивних ґрунтів. Наприклад, в господарствах Полісся України, в історичному аспекті, корів утримували не стільки для виробництва молока і м’яса, скільки для накопичення органічних добрив, тобто додаткового за­лучення біогенних елементів з інших екосистем, в т.ч. лучних та лісових.

В умовах радіоактивного забруднення галузь тваринництва відіграє роль своєрідного додаткового бар’єру для радіоактивних елементів у сис­темі ґрунт-рослина-тварина-продукти харчування-людина. При викорис­танні на корм забрудненої фітомаси близько половини радіонуклідів вида­ляється з організму тварини, або накопичується в кістках.

Отже, для сталого та екологобезпечного розвитку агроекосистем клю­чове значення має оптимізація співвідношення галузей рослинництва й тваринництва, яка полягає в створенні стабільної ланки субрівня, урівно­важеної потоками енергії, кругообігом органічних і мінеральних речовин, підтримуючи стабільність і динамічну рівновагу всіх ланцюгів агроекосис- 194

теми. Реалізувати ці положення можливо тільки при одній умові - підтри­манні родючості ґрунтів на оптимальному рівні шляхом збалансованості мікробіологічних процесів речовин і потоків енергії в агроекосистемах. У цьому відношенні першочергове значення має міжгалузева оптимізація спеціалізації господарської діяльності, яка має бути адаптована до ґрунто­во-кліматичних, агроландшафтних і соціально-економічних умов.

Особливої уваги при конструюванні агроекосистем заслуговують рос- лини-репеленти, що виділяють відлякуючі комах речовини. Так, обробіток злакових трав навколо посівів квасолі знижує їх ураження цикадками. Пе­рспективні і культури-«пастки». Наприклад, для боротьби з буряковою не­матодою використовують ранні посіви хрестоцвітих з подальшим їх загор­танням (сидерати). В умовах полікультури нерідко знижується ураження культивованих рослин збудниками хвороб і вірусами унаслідок менших темпів накопичення і розповсюдження інокулюма і вірусів під впливом мікроклімату - зміни вогкості, температури, освітленості.

Конструювання агроекосистеми за принципом сівозміни - це послідо­вний обробіток різних культур в часі і просторі, що має вирішальний вплив не тільки на родючість ґрунту, але і на виживання фітопатогенів, нематод, комах, бур'янів.

Як дієвий засіб боротьби зі шкідливими організмами здавна викорис­товуються і різні способи обробітку ґрунту. В зв'язку з цим необхідно вра­ховувати, що перехід, наприклад, до мінімальної обробки ґрунту призво­дить до такої зміни видового складу бур'янів, при якому набувають широ­кого поширення генетично близькі до оброблюваної культури види руде­ральної рослинності. Оскільки в рослинних залишках, що зберігаються на поверхні ґрунту, створюються кращі умови для виживання, зростання і розмноження фітопатогенів, ймовірність виникнення епіфітотій зростає. При мінімальній обробці підвищується виживання і комах-шкідників, зро­стає їх різноманітність. В той же час зниження температури на 1-4°С і бі­льша вологість ґрунту за цих умов зменшують ураження рослин кукурудзи стебловою гнилизною. Застосування соломи як мульчі знижує чисельність білокрилки, що є переносником вірусу. В цілому мінімальна обробка ґрун­ту наближає агроценози до природних екосистем, сприяючи не тільки збе­реженню органічних речовин, але і активації ґрунтових мікроорганізмів і безхребетних.

Чисельні дані свідчать про те, що в умовах використання високих доз азотних добрив, зрошування як потенційно високоурожайних сортів так і гібридів (конкурентоспроможність яких звичайно знижена) істотне змен­шення врожайності пов'язане із засміченістю полів. До числа особливо шкідливих для сільськогосподарських культур належить близько 250 видів бур'янів, які зазвичай характеризуються високою насінною продуктивніс­тю. Найбільшу шкоду бур'яни наносять в першу третину вегетації культи­вованих рослин.

Багато бур'янів є резерваторами шкідників. Так, більш 70 родин членистоногих, що вражають культивовані види рослин, використовують бур'яни як кормову базу. В той же час і корисна ентомофауна нерідко при­урочена до рудеральних рослин. Причому наявні дані свідчать про те, що масове розповсюдження сільськогосподарських шкідників з більшою ймо­вірністю відбувається на незасмічених, ніж засмічених ділянках.

Тому залежність врожайності від щільності популяції бур'янів виявля­ється нелінійною, а сигмоподібною: низька щільність бур'янів звичайно не впливає на врожайність, а деякі види бур'янів навіть стимулюють зростан­ня культурних рослин.

Необхідний системний підхід до управління динамікою чисельності популяцій бур'янів. Зокрема, слід враховувати різну конкурентоспромож­ність зернових колосових культур (овес-пшениця-ячмінь).

Людина своєю господарською діяльністю створює штучні екосистеми - агроценози (поля, пасовища, сади, виноградники, парки). На відміну від природних екосистем, до складу яких входять сотні й тисячі різноманітних видів, агроценози характеризуються однотипністю видового складу і вкрай обмеженою здатністю до саморегуляції.

Розміри екосистем (і агроценозів) можуть коливатися від незначних (пеньок, калюжа, город) до дуже великих, що вимірюються гектарами (ліс, озеро, поле). Кожний біогеоценоз характеризується власним колообігом речовин, трансформацією сонячної енергії і продуктивністю біомаси.

У разі незначної амплітуди коливання зовнішніх умов такий біоценоз із наявною динамічною рівновагою може існувати віками. Характерними особливостями його є: а) ярусність рослин, що підвищує коефіцієнт вико­ристання сонячної енергії, оскільки сумарна площа листків у 5-6 разів пе­ревищує площу ділянки; б) висока первинна продуктивність; в) наявність різноманітних і численних споживачів утворюваної органічної маси, а та­кож довгих, які включають 4-5 ланок, ланцюгів живлення; г) здатність до саморегуляції чисельності компонентів усього біоценозу шляхом обме­ження числа особин за принципом прямого і зворотного зв'язку; д) відсут­ність невикористаних органічних решток, практично повна їх мінераліза­ція.

У зв'язку з тим що агроценози утворені невеликим числом видів, са­морегуляція в них здійснюється недостатньо, що потребує активної турбо­ти про них з боку людини. Для боротьби з бур'янами і шкідниками викори­стовують хімічні засоби захисту (гербіциди, інсектициди). Проте хімікати впливають не лише на бур'яни і шкідників, а й на інші, корисні рослини і тварин. Не байдужі вони і для здоров'я.

9.5.2. Екосистема космічного корабля

Однією з захоплюючих галузей екології є створення замкнених або напівзамкнених екосистем для життєзабезпечення людини під час трива­лого космічного польоту. Останнім часом мова вже йде про екосистеми,

які мають забезпечити існування поселень людей на Місяці чи на Марсі. Побудова такого роду системи життєзабезпечення безпосереньо пов’язане з екологією і теорією систем. Загалом з багатьох критеріїв, які має задово­льняти система життєзабезпечення, лише два мають першочергове значен­ня: 1) відповідність умовам космічного польоту і 2) стабільність і надій­ність.

З’ясувалося, що багатовидова система дуже невигідна в сенсі маси і площі, проте її застосування глибоко обгрунтовано за умови, що всі основ­ні біогеохімічні цикли і напрямок потоку енергії будуть розроблятися як єдине ціле. Результати досліджень лабораторних мікроекосистем не можна безпосередньо використовувати для космічних потреб, оскільки вони за­надто малі, проте вони показали дуже високу стабільність, яка обумувлена їхнім різноманіттям. Зокрема, з’ясувалося, що метаболізм змішаних куль­тур менш чутливий до змін температури, ніж метаболізм чистих культур (Бейєрс, 1962), і що в стані клімаксу вони більш стійкі до іонізуючого ви­промінювання, ніж перехідні чи ранні стадії сукцесії (Кук та інш., 1963).

Нарешті, ціле коло проблем, пов’язаних навіть з найграндіознішою зі створених людиною замкнених екосистем («Біосфера-2»), свідчить, що на­разі ще неможливо створити цілком збалансовану замкнену екосистему. І цим також всі штучні екосистеми істотно відрізняються від природних.

Проте саме за допомогою штучних екосистем, як моделей ноосфери, людині вдалося не лише глибше і ретельніше вивчити складні процеси в біосфері, а й взагалі стимулювати людський розум на пошуки оптимальних рішень проблеми виживання у майбутньому.

Усі дослідники одностайні в наступному: необхідно різко знизити на­вантаження на біосферу, змінивши концепцію необмеженого споживання «дарів природи» (яка була стратегією методології економічного мислення впродовж багатьох десятків років) на концепцію екологізації людської дія­льності.

Контрольні запитання до розділу

1. У чому полягає відмінність між біосферою та екосферою?

2. Чим визначаються межі біосфери?

3. На чому базується класифікація екосистем?

4. Які виділяють основні типи водних екосистем?

5. На чому ґрунтується класифікація водних і наземних екосистем?

6. Які головні типи наземних екосистем?

7. Що спільного між екосистемами коралових рифів та вологих тро­пічних лісів?

8. Які екосистеми нашої планети найбільш продуктивні?

9. Як впливають вологі тропічні ліси на баланс кисню в атмосфері?

10. В чому особливості болотних екосистем?

11. Чим принципово відрізняються штучні екосистеми від природних (проаналізувати за основними показниками).

19 7